مقاله طراحی تقویت کننده محدودساز مبتنی بر cnt با تکنیک خازن دیجنریشن

بخشی از مقاله

چکیده

سیستم مخابرات نوری شامل فرستنده، محیط انتقال و یک گیرنده میباشد. در حالت کلی در یک شبکه مخابرات نوری سیگنال ورودی از یک منبع اطلاعات وارد سیستم شده و پس از انجام عمل مدولاسیون، سیگنال در قالب اطلاعات دیجیتالی وارد مدار فرستنده شده و با روشن و خاموش کردن یک دیود لیزری تبدیل به سیگنال های نوری شده و از طریق فیبر نوری به گیرنده ارسال می شوند. در یک سیستم گیرنده مخابرات نوری ابتدا فتودیود، داده های نوری را به سیگنال الکتریکی تبدیل می کند. سیگنال الکتریکی دریافتی در طبقه تقویت کننده امپدانسی انتقالی، تقویت و سپس به ولتاژ تبدیل می شود. طبقه بعد، شامل تقویت کننده محدودساز،که برای انتقال سیگنال به طبقات بعدی در بلوک گیرنده نوری، بهره سیگنال و میزان سوئینگ ولتاژ خروجی را افزایش می دهد. در این مقاله ساختار تقویت کننده محدود ساز با استفاده ازترانزیستور نانوتیوب کربن 32 نانومتر در نرم افزار HSPICE طراحی شده است.

برای طراحی تقویت کننده محدود ساز پیشنهادی ابتدا از یک تقویت کننده زوج تفاضلی استفاده شده که میزان بهره و پهنای باند بسیار کمی - کمتر از فرکانس های گیگاهرتز - دارد. بنابراین برای اینکه پاسخ فرکانسی یک تقویت کننده تفاضلی را بهبود دهیم از ساختار تقویت کننده تفاضلی چند طبقه استفاده شده است. در ساختار چند طبقه به پاسخ فرکانسی مطلوبی دست یافتیم. حال برای اینکه پاسخ فرکانسی یک تقویت کننده چند طبقه بهبود یابد از تکنیک خازن دجینریشن استفاده کرده ایم. این تکنیک که با قرار دادن یک مقاومت و خازن بصورت موازی بین پایه های سورس ترانزیستورهای زوج تفاضلی صورت می گیرد می تواند در پاسخ فرکانس تقویت کننده زوج تفاضلی یک صفر و قطب ایجاد کند که این صفر و قطب ایجاد شده موجب بهبود پاسخ فرکانسی می شود.

کلمات کلیدی: مخابرات نوری ، گیرنده نوری ، تقویت کننده محدود ساز با بار مقاومتی ، تقویت کننده محدود ساز با تکنیک خازن دجینریشن، کاهش توان مصرفی، افزایش بهره و پهنای باند

مقدمه -1-1

ضرورت استفاده از ترانزیستورهای نانولوله ایگوردونمور1درسال1965در مقالهای روند افزایش چگالی مجتمع سازی را بررسی کرد و نشان داد که تعداد ترانزیستورهایی که کی توتن روی سطح ثابتی از تراشه جای داد تقریباً هر 18 ماه تا 24ماه دوبرابرمی شود او پیشبینی کرد که این روند ادامه یابد. [1] تولیدکنندگان تراشه از کاهش ابعاد ترانزیستورها استفاده کرده اند تا تعداد ترانزیستورها را به صورت نمایی افزایش دهند، ولی کاهش ابعاد ترانزیستورها در تکنولوژیCMOSبه زودی پایان خواهد یافت. در واقع موانعی مانند مسائل مربوط به توان، قابلیت اطمینان، افزایش هزینههای ساخت، محدودیتهای فیزیکی نقش نگاری نور و اندازه ترانزیستور وجود دارد.

به عنوان مثال، بخشهایی از ترانزیستورها تنها به اندازه چند اتم ضخامت دارند و با کاهش ابعاد ترانزیستورها کوچکتر هم میشوند؛ بنابراین وقتی ابعاد به محدوده ضخامت یک یا دو اتم برسند، کاهش ابعاد باید متوقف شده و تکنولوژی جدیدی مورد استفاده قرار گیرد. یک جایگزین مناسب برای مدارات مجتمع مبتنی بر نقش نگاری نور، بهره گیری از فناوری نانو و قطعات الکترونیکی در مقیاس نانو است.[2] مقیاس کردن این اجازه را میدهد که همان مدار، کوچکتر ، ارزانتر و سریعتر بوده توان کمتری مصرف کند. در نهایت هدفکاهش ابعاد ، ساختن ترانزیستوری است کوچکتر ، سریعتر، ارزانتر که توان کمتری مصرف کند. متأسفانه کاهش ابعاد ترانزیستور تا ابد ممکن نیست، ولی قطعا نانو الکترونیک این امکان را فراهم میآورند که وقتی ترانزیستورهایMOS توانایی کاهش ابعاد ندارند، کاهش ابعاد تراشهها ادامه یابد.

پیش بینیها توسط ITRS2نشان میدهد که مقیاسکردنCMOSدرحدود سال 2018 با رسیدن به عرض کانال 20 نانو متر به پایان خواهد رسید. حتی رسیدن به اندازه نانومتر هم به مشکلات حل نشده زیادی برخورد میکند که مهمترین آن ها توان مصرفی - به ویژه جریان های نشتی - ، تغییرات فرآیند ساخت ، مشکلات قابلیت اطمینان و افزایش هزینه ساخت است مقیاس کردن ترانزیستورها ، کم شدن توانایی برای تحمل ، تغییرات پروسه ساخت را به همراه دارد. با کوچکتر شدن ترانزیستورها اتمهای کمتری قطعات مختلف را میسازند. به عنوان مثال ، اکسید گیت اکنون در حد پنج اتم ضخامت دارد. در صورتی که تنها یک اتم از جای خود خارج شود ، ضخامت اکسید گیت در حدود%20 تغییر میکند. کمبود قابلیت پیشبینی ، فرآیند طراحی را پیچیده کرده و با ادامه کاهش ابعاد تکنولوژی ، این - پیچیدگی بیشتر هم میشود.

بزرگترین مشکل برایکاهش ابعاد ترانزیستورها ، مسائل مربوط به اقتصاد است. هزینه ساخت به صورت نمایی در حال افزایش بود و همزمان با افزایش نمایی تعداد ترانزیستورها در حال افزایش است. این افزایش در واقع به دلیل استفاده از روش ساخت بالا به پایین در طراحی مدارهای مجتمع است . این بدان معناست که لایه ها روی یک ویفر سیلیکونی اضافه می شوند که نیازمند هزاران مرحله، قبل از ساخت کامل مدار است با وجود آنکه این فرآیند امکان ساخت مدارها و سیستم های قابل اطمینان را به ما میدهد ، کاهش ابعاد ، تولید ماسک های قابل اطمینان را بسیار گران میکند . با بررسی مشکلات موجود در صنعت نیمههادی بسیاری از مشکلات با ارائه پروسه های ساخت جدید قابل حل هستند.

به هر حال ، دو استثنای بزرگ وجود دارد که یکی محدودیتهای اندازه فیزیکی بوده و دیگری هزینههای سرسامآور است که برای - - International Technology Roadmap Semiconductor - 2گزارشی است که اواخر هر سال توسط مجموعه ای از شرکتها و مراکز صنعت میکروالکترونیک منتشر می شود این گزارش بسیار معتبر و مورد استناد و استفاده بسیاری از مقالات و گزارشهای فنی است. در ITRS وضعیت گذشته ، حال و آینده و روند فناوری نیمه هادی مورد بررسی قرار می گیرد. علاوه بر این ، مشکلات و مسایل این فناوری ، شامل مسایل حل شده ، مسایلی که باید در آینده حل شوند و مسایلی که دراز مدت قابل حل هستند ، نیز در این گزارش ها بررسی می شوند.حل آنها نیاز به تغییر اساسی در نحوهساخت مدارهای مجتمع وجود دارد .

بسیاری از محققان عقیده دارند که این تغییر به سمت قطعات نانو الکترونیک خواهد بود . با مخلوط کردن علم شیمی ، فیزیک ، بیولوژی و مهندسی ، قطعات نانو الکترونیک ممکن است راه حلی برای افزایش هزینههای ساخت ارائه کرده و اجازه دهند که مدارات مجتمع زیر ابعاد ترانزیستورهای مدرن مقیاس شود. مؤثرترین تغییر در حرکت به سمت فناوری نانو الکترونیک نحوه ساخت است. در این تکنولوژی سیمها ، دیودها ، ترانزیستورها و سوییچها میتوانند به صورت مجزا ، زیاد و ارزان ساخته شوند. تمام این قطعات تنها چند نانومتر اندازه دارند و ممکن است به سطحی از مجتمع سازی برسند که با مدارهای مجتمع کنونی ممکن نیست ، پیشبینی شده است که استفاده از قطعات نانو الکترونیک امکان مجتمع کردن قطعه در یک سانتیمتر مربع را فراهم خواهد کرد. در حالی که طبق گزارشهای ITRS د رسال 2018 قادر خواهیم بود که  ترانزیستور را در هر سانتیمتر مربع بسازیم. [2]

-2-1سیستم مخابرات نوری

سیستم مخابرات نوری در کلیات شبیه هر سیستم مخابراتی دیگری است. یعنی از یک فرستنده، یک محیط انتقال و یک گیرنده تشکیل شده است. بلوک دیاگرام یک سیستم مخابرات نوری در شکل 1 نشان داده شده است. در این شکل سیگنال الکتریکی وارد مدار فرستنده می شود. این مدار وظیفه دارد سیگنال الکتریکی را به صورت مناسبی به منبع نوری بدهد. در منبع نوری که می تواند لیزر نیمه هادی یاLED باشد، سیگنال الکتریکی به سیگنال نوری تبدیل می شود. این سیگنال نوری توسط فیبر نوری به سر دیگر سیستم یعنی گیرنده منتقل میشود. آشکارساز در مدار گیرنده قرار گرفته است، که پردازش اولیه را روی سیگنال انجام می دهد.

-1-2-1 فرستنده نوری
فرستنده: دستگاهی است که وظیفه تبدیل سیگنال الکتریکی به سیگنال نوری را انجام می دهد.که دو دسته هستند: - LED1 دیودهای منتشرکننده نور - و - LD1 دیودهای لیزری - .